CEO2là một thành phần quan trọng của vật liệu đất hiếm. Cácnguyên tố đất hiếm CeriumCó cấu trúc điện tử bên ngoài duy nhất - 4F15D16S2. Lớp 4F đặc biệt của nó có thể lưu trữ và giải phóng các electron một cách hiệu quả, làm cho các ion cerium hoạt động ở trạng thái hóa trị+3 và+4 trạng thái hóa trị. Do đó, các vật liệu CEO2 có nhiều lỗ oxy hơn và có khả năng lưu trữ và giải phóng oxy tuyệt vời. Việc chuyển đổi lẫn nhau của CE (III) và CE (IV) cũng tạo ra các vật liệu CEO2 với khả năng xúc tác giảm oxy hóa độc đáo. So với vật liệu số lượng lớn, Nano CEO2, như một loại vật liệu vô cơ mới, đã nhận được sự chú ý rộng rãi do diện tích bề mặt riêng của nó, lưu trữ oxy tuyệt vời và khả năng giải phóng, độ dẫn ion oxy, hiệu suất oxi hóa khử và khả năng khuếch tán oxy nhanh ở nhiệt độ cao. Hiện tại có một số lượng lớn các báo cáo nghiên cứu và các ứng dụng liên quan sử dụng Nano CEO2 làm chất xúc tác, chất mang chất xúc tác hoặc phụ gia, các thành phần hoạt động và chất hấp phụ.
1. Phương pháp chuẩn bị nanometoxit cerium
Hiện tại, các phương pháp chuẩn bị phổ biến cho nano ceria chủ yếu bao gồm phương pháp hóa học và phương pháp vật lý. Theo các phương pháp hóa học khác nhau, các phương pháp hóa học có thể được chia thành phương pháp kết tủa, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp hòa tan, phương pháp gel sol, phương pháp vi sinh vật và phương pháp điện cực; Phương pháp vật lý chủ yếu là phương pháp mài.
1.1 Phương pháp mài
Phương pháp mài để chuẩn bị nano ceria thường sử dụng mài cát, có lợi thế của chi phí thấp, thân thiện với môi trường, tốc độ xử lý nhanh và khả năng xử lý mạnh mẽ. Nó hiện là phương pháp xử lý quan trọng nhất trong ngành công nghiệp Nano Ceria. Ví dụ, việc điều chế bột đánh bóng oxit nano cerium thường áp dụng sự kết hợp giữa nung và mài cát, và nguyên liệu thô của các chất xúc tác khử nitrat dựa trên cerium cũng được trộn để xử lý trước hoặc được xử lý sau khi nung bằng cách sử dụng mài cát. Bằng cách sử dụng các tỷ lệ hạt mài cát kích thước hạt khác nhau, nano ceria với D50 từ hàng chục đến hàng trăm nanomet có thể thu được thông qua điều chỉnh.
1.2 Phương pháp kết tủa
Phương pháp kết tủa đề cập đến phương pháp chuẩn bị bột rắn bằng kết tủa, tách, rửa, sấy và nung nguyên liệu thô hòa tan trong các dung môi thích hợp. Phương pháp kết tủa được sử dụng rộng rãi trong việc chuẩn bị các vật liệu nano trái đất và pha tạp hiếm, với những ưu điểm như quy trình chuẩn bị đơn giản, hiệu quả cao và chi phí thấp. Đây là một phương pháp thường được sử dụng để chuẩn bị nano ceria và các vật liệu composite của nó trong ngành công nghiệp. Phương pháp này có thể chuẩn bị nano ceria với hình thái và kích thước hạt khác nhau bằng cách thay đổi nhiệt độ kết tủa, nồng độ vật liệu, giá trị pH, tốc độ kết tủa, tốc độ khuấy, mẫu, v.v ... Phương pháp phổ biến dựa vào sự kết tủa của các ion cerium từ amoniac được tạo ra bởi sự phân hủy urê và điều chế các vi sóng nano ceria. Ngoài ra, các ion cerium có thể được kết tủa bởi OH - được tạo ra từ quá trình thủy phân natri citrate, sau đó được ủ và nung để chuẩn bị vảy như kính hiển vi nano ceria.
1.3 Phương pháp thủy nhiệt và hòa tan
Hai phương pháp này đề cập đến phương pháp chuẩn bị sản phẩm bằng phản ứng nhiệt độ cao và áp suất cao ở nhiệt độ tới hạn trong một hệ thống kín. Khi dung môi phản ứng là nước, nó được gọi là phương pháp thủy nhiệt. Tương ứng, khi dung môi phản ứng là một dung môi hữu cơ, nó được gọi là phương pháp hòa tan. Các hạt nano tổng hợp có độ tinh khiết cao, phân tán tốt và các hạt đồng nhất, đặc biệt là các loại bột nano với các hình thái khác nhau hoặc các mặt tinh thể đặc biệt lộ ra. Hòa tan clorua clorua trong nước cất, khuấy và thêm dung dịch natri hydroxit. Phản ứng thủy nhiệt ở 170 ℃ trong 12 giờ để chuẩn bị các nanorod oxit cerium với các mặt phẳng tinh thể tiếp xúc (111) và (110). Bằng cách điều chỉnh các điều kiện phản ứng, tỷ lệ của (110) mặt phẳng tinh thể trong các mặt phẳng tinh thể tiếp xúc có thể được tăng lên, tăng cường hơn nữa hoạt động xúc tác của chúng. Điều chỉnh dung môi phản ứng và phối tử bề mặt cũng có thể tạo ra các hạt nano ceria với tính kỵ nước hoặc lipophilic đặc biệt. Ví dụ, việc thêm các ion acetate vào pha nước có thể chuẩn bị các hạt nano oxit kỵ nước monodisperse trong nước. Bằng cách chọn một dung môi không phân cực và giới thiệu axit oleic làm phối tử trong quá trình phản ứng, các hạt nano ceria lipophilic monodisperse có thể được điều chế trong các dung môi hữu cơ không phân cực. (Xem Hình 1)
Hình 1 nano hình cầu monodisperse ceria và nano ceria hình que
Phương pháp gel sol 1.4
Phương pháp gel sol là một phương pháp sử dụng một số hoặc một số hợp chất làm tiền chất, tiến hành các phản ứng hóa học như thủy phân trong pha lỏng để tạo thành sol, sau đó tạo thành gel sau khi lão hóa, và cuối cùng làm khô và vôi để chuẩn bị bột siêuine. Phương pháp này đặc biệt phù hợp để chuẩn bị các vật liệu nano ceria đa thành phần phân tán cao, như sắt, cerium titan, cerium zirconium và các oxit nano composite khác, đã được báo cáo trong nhiều báo cáo.
1.5 Các phương pháp khác
Ngoài các phương pháp trên, cũng có phương pháp Micro Lotion, phương pháp tổng hợp vi sóng, phương pháp điện cực, phương pháp đốt cháy huyết tương, phương pháp điện phân màng trao đổi ion và nhiều phương pháp khác. Những phương pháp này có ý nghĩa lớn đối với nghiên cứu và ứng dụng của nano ceria.
Áp dụng oxit cerium 2 nanomet trong xử lý nước
Cerium là yếu tố phong phú nhất trong số các yếu tố đất hiếm, với giá thấp và các ứng dụng rộng. Nanometer Ceria và các vật liệu tổng hợp của nó đã thu hút nhiều sự chú ý trong lĩnh vực xử lý nước do diện tích bề mặt đặc hiệu cao, hoạt động xúc tác cao và sự ổn định cấu trúc tuyệt vời.
2.1 Ứng dụng củaNano cerium oxitTrong xử lý nước bằng phương pháp hấp phụ
Trong những năm gần đây, với sự phát triển của các ngành công nghiệp như ngành công nghiệp điện tử, một lượng lớn nước thải có chứa các chất ô nhiễm như các ion kim loại nặng và các ion fluorine đã được xuất viện. Ngay cả ở nồng độ dấu vết, nó có thể gây ra tác hại đáng kể cho các sinh vật dưới nước và môi trường sống của con người. Các phương pháp thường được sử dụng bao gồm quá trình oxy hóa, tuyển nổi, thẩm thấu ngược, hấp phụ, lọc sợi nano, sinh học, v.v ... Trong số đó, công nghệ hấp phụ thường được áp dụng do hoạt động đơn giản, chi phí thấp và hiệu quả điều trị cao. Vật liệu Nano CEO2 có diện tích bề mặt riêng và hoạt động bề mặt cao như chất hấp phụ, và đã có nhiều báo cáo về sự tổng hợp của Nano CEO2 xốp và các vật liệu composite của nó với các hình thái khác nhau để hấp phụ và loại bỏ các ion có hại từ nước.
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng nano ceria có khả năng hấp phụ mạnh đối với F - trong nước trong điều kiện axit yếu. Trong một dung dịch có nồng độ ban đầu là f - 100mg/l và pH = 5-6, khả năng hấp phụ cho f - là 23mg/g và tốc độ loại bỏ F - là 85,6%. Sau khi tải nó lên một quả bóng nhựa axit polyacrylic (lượng tải: 0,25g/g), khả năng loại bỏ của F - có thể đạt hơn 99% khi xử lý một thể tích bằng 100mg/L dung dịch nước F; Khi xử lý 120 lần âm lượng, có thể loại bỏ hơn 90% F -. Khi được sử dụng để hấp phụ phosphate và iốt, khả năng hấp phụ có thể đạt tới hơn 100mg/g trong trạng thái hấp phụ tối ưu tương ứng. Các vật liệu đã sử dụng có thể được tái sử dụng sau khi giải hấp đơn giản và trung hòa, có lợi ích kinh tế cao.
Có nhiều nghiên cứu về sự hấp phụ và xử lý các kim loại nặng độc hại như asen, crom, cadmium và chì sử dụng nano ceria và vật liệu composite của nó. Độ hấp phụ tối ưu thay đổi cho các ion kim loại nặng với các trạng thái hóa trị khác nhau. Ví dụ, điều kiện kiềm yếu với độ lệch trung tính có trạng thái hấp phụ tốt nhất cho AS (III), trong khi trạng thái hấp phụ tối ưu As (V) đạt được trong điều kiện axit yếu, trong đó khả năng hấp phụ có thể đạt tới hơn 110mg/g trong cả hai điều kiện. Nhìn chung, tổng hợp tối ưu hóa của nano ceria và các vật liệu composite của nó có thể đạt được tốc độ hấp phụ và loại bỏ cao cho các ion kim loại nặng khác nhau trong phạm vi pH rộng.
Mặt khác, các vật liệu nano dựa trên oxit cerium cũng có hiệu suất nổi bật trong chất hữu cơ hấp phụ trong nước thải, như màu cam axit, rhodamine B, Congo Red, v.v. 60 phút.
2.2 Áp dụng nano ceria trong quá trình oxy hóa nâng cao
Quá trình oxy hóa tiên tiến (ngắn gọn AOP) được đề xuất để cải thiện hệ thống điều trị khan hiện có. Quá trình oxy hóa tiên tiến, còn được gọi là công nghệ oxy hóa sâu, được đặc trưng bởi việc sản xuất gốc hydroxyl (· OH), gốc superoxide (· o2 -), oxy singlet, v.v. với khả năng oxy hóa mạnh. Trong các điều kiện phản ứng của nhiệt độ và áp suất cao, điện, âm thanh, chiếu xạ ánh sáng, chất xúc tác, v.v.
Hình 2 Phân loại và kết hợp công nghệ của quá trình oxy hóa nâng cao
Nano Cerialà một chất xúc tác không đồng nhất thường được sử dụng trong quá trình oxy hóa tiên tiến. Do sự chuyển đổi nhanh chóng giữa CE3+và CE4+và hiệu ứng oxy hóa nhanh chóng do sự hấp thụ và giải phóng oxy, Nano Ceria có khả năng xúc tác tốt. Khi được sử dụng như một chất xúc tác xúc tác, nó cũng có thể cải thiện hiệu quả khả năng và sự ổn định xúc tác. Khi nano ceria và các vật liệu composite của nó được sử dụng làm chất xúc tác, các đặc tính xúc tác khác nhau rất nhiều với hình thái, kích thước hạt và các mặt phẳng tinh thể lộ ra, là những yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất và ứng dụng của chúng. Người ta thường tin rằng các hạt càng nhỏ và diện tích bề mặt cụ thể càng lớn, vị trí hoạt động tương ứng hơn và khả năng xúc tác càng mạnh. Khả năng xúc tác của bề mặt tinh thể tiếp xúc, từ mạnh đến yếu, là theo thứ tự bề mặt tinh thể (100)> (110) bề mặt tinh thể> (111) bề mặt tinh thể và độ ổn định tương ứng ngược lại.
Cerium oxit là một vật liệu bán dẫn. Khi nanomet cerium oxit được chiếu xạ bởi các photon có năng lượng cao hơn khoảng cách dải, các electron dải hóa trị bị kích thích và hành vi tái tổ hợp chuyển tiếp xảy ra. Hành vi này sẽ thúc đẩy tỷ lệ chuyển đổi của CE3+và CE4+, dẫn đến hoạt động quang xúc tác mạnh của nano ceria. Photocatalysis có thể đạt được sự xuống cấp trực tiếp của chất hữu cơ mà không bị ô nhiễm thứ phát, vì vậy ứng dụng của nó là công nghệ được nghiên cứu nhiều nhất trong lĩnh vực Nano ceria trong AOPS. Hiện tại, trọng tâm chính là điều trị thoái hóa xúc tác của thuốc nhuộm AZO, phenol, chlorobenzene và nước thải dược phẩm sử dụng các chất xúc tác với các hình thái và thành phần tổng hợp khác nhau. Theo báo cáo, theo phương pháp tổng hợp chất xúc tác được tối ưu hóa và điều kiện mô hình xúc tác, khả năng suy giảm của các chất này thường có thể đạt hơn 80%và khả năng loại bỏ tổng lượng carbon hữu cơ (TOC) có thể đạt hơn 40%.
Xúc tác oxit nano cerium cho sự xuống cấp của các chất ô nhiễm hữu cơ như ozone và hydro peroxide là một công nghệ được nghiên cứu rộng rãi khác. Tương tự như quang xúc tác, nó cũng tập trung vào khả năng của nano ceria với các hình thái hoặc mặt phẳng tinh thể khác nhau và các chất oxy hóa xúc tác tổng hợp dựa trên cerium khác nhau để oxy hóa và làm suy giảm các chất gây ô nhiễm hữu cơ. Trong các phản ứng như vậy, các chất xúc tác có thể xúc tác cho việc tạo ra một số lượng lớn các gốc hoạt động từ ozone hoặc hydro peroxide, tấn công các chất ô nhiễm hữu cơ và đạt được khả năng thoái hóa oxy hóa hiệu quả hơn. Do sự ra đời của các chất oxy hóa trong phản ứng, khả năng loại bỏ các hợp chất hữu cơ được tăng cường đáng kể. Trong hầu hết các phản ứng, tỷ lệ loại bỏ cuối cùng của chất mục tiêu có thể đạt hoặc tiếp cận 100%và tỷ lệ loại bỏ TOC cũng cao hơn.
Trong phương pháp oxy hóa tiên tiến điện điện, các tính chất của vật liệu cực dương với sự tiến hóa oxy cao quá mức xác định tính chọn lọc của phương pháp oxy hóa tiên tiến điện cực để điều trị các chất gây ô nhiễm hữu cơ. Vật liệu catốt là một yếu tố quan trọng xác định việc sản xuất H2O2 và việc sản xuất H2O2 xác định hiệu quả của phương pháp oxy hóa tiên tiến điện từ để điều trị các chất ô nhiễm hữu cơ. Nghiên cứu về sửa đổi vật liệu điện cực sử dụng nano ceria đã nhận được sự chú ý rộng rãi cả trong nước và quốc tế. Các nhà nghiên cứu chủ yếu giới thiệu oxit nano cerium và vật liệu composite của nó thông qua các phương pháp hóa học khác nhau để sửa đổi các vật liệu điện cực khác nhau, cải thiện hoạt động điện hóa của chúng và do đó làm tăng hoạt động điện phân và tốc độ loại bỏ cuối cùng.
Lò vi sóng và siêu âm thường là các biện pháp phụ trợ quan trọng cho các mô hình xúc tác ở trên. Lấy hỗ trợ siêu âm làm ví dụ, sử dụng sóng âm thanh có tần số cao hơn 25kHz mỗi giây, hàng triệu bong bóng cực nhỏ được tạo ra trong một dung dịch được công thức với một chất làm sạch được thiết kế đặc biệt. Những bong bóng nhỏ này, trong quá trình nén và mở rộng nhanh chóng, liên tục tạo ra sự nổ bong bóng, cho phép các vật liệu trao đổi nhanh chóng và khuếch tán trên bề mặt chất xúc tác, thường cải thiện theo cấp số nhân hiệu quả xúc tác.
3 Kết luận
Nano ceria và các vật liệu composite của nó có thể xử lý hiệu quả các ion và chất ô nhiễm hữu cơ trong nước, và có tiềm năng ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực xử lý nước trong tương lai. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu vẫn đang trong giai đoạn phòng thí nghiệm và để đạt được ứng dụng nhanh chóng trong xử lý nước trong tương lai, các vấn đề sau đây vẫn cần được giải quyết khẩn cấp:
(1) Chi phí chuẩn bị tương đối cao của NanoCEO2Vật liệu dựa trên vẫn là một yếu tố quan trọng trong phần lớn các ứng dụng của họ trong xử lý nước, vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Khám phá các phương pháp chuẩn bị chi phí thấp, đơn giản và hiệu quả có thể điều chỉnh hình thái và kích thước của các vật liệu dựa trên CEO2 của NANO vẫn là một trọng tâm của nghiên cứu.
. Sự kết hợp của nó với vật liệu nhựa hoặc vật liệu từ tính sẽ là một hướng nghiên cứu chính cho công nghệ chuẩn bị và tái chế vật liệu của nó.
.
. Quá trình xử lý nước thải thực tế thường liên quan đến sự cùng tồn tại của nhiều chất ô nhiễm và các chất ô nhiễm cùng tồn tại sẽ tương tác với nhau, do đó thay đổi đặc điểm bề mặt và độc tính tiềm năng của vật liệu nano. Do đó, có một nhu cầu cấp thiết để thực hiện nhiều nghiên cứu hơn về các khía cạnh liên quan.
Thời gian đăng: Tháng 5-22-2023